Généralités sur la technologie des guides d’ondes intégrés au substrat SIW

La réduction des coûts de fabrication et l’amélioration des propriétés électriques sont des paramètres fondamentaux qui préoccupent les chercheurs de puis des années [1], [2]. Plusieurs travaux de recherche ont été menés pour répondre à ces critères [3], [4]. La dernière décennie a vu la naissance de plusieurs composants SIW en guide d’ondes rectangulaires [5]. D’un côté la technologie SIW (Substrate Integrated Waveguide) a déjà suscitée beaucoup d’intérêt dans le développement de nombreux circuits intégrés micro-ondes. Le guide SIW est synthétisé en plaçant deux rangées de vias métalliques dans un substrat. La distribution du champ dans le guide SIW est similaire à celle d’un guide d’ondes rectangulaire classique. Par conséquent, il présente les avantages de faible coût, de facteur de qualité élevé, et peut facilement être intégré dans les circuits micro-ondes et ondes millimétriques intégrés [6]. L’intérêt pour les techniques SIW dans les systèmes de communication a considérablement augmenté, ainsi que le développement de circuits microondes actifs et passifs [7] les utilisant.

Les guides d’ondes classiques

Définition

Un guide d’ondes est un système physique qui sert à guider les ondes électromagnétiques ou les ondes acoustiques, pour les maintenir confinées dans un milieu particulier, sur une certaine distance  . Les guides d’ondes peuvent être généralement classés en deux catégories :
◆ Guides d’ondes métalliques prennent habituellement la forme d’un tube de métal conducteur clos. Les ondes se propageant à l’intérieur du guide d’ondes de métal peuvent être caractérisés par des réflexions à partir des parois conductrices.
◆ Le guide d’onde diélectrique se compose seulement de diélectriques et emploie de réflexions à partir d’interfaces diélectriques à propager l’onde électromagnétique le long du guide.

Les guides d’ondes présentent de propriétés intéressantes par rapport aux autres systèmes de transmission micro-onde :
➤ Étant fermés, les guides ne perdent pas d’énergie par rayonnement parasite.
➤ Ils sont capables de transmettre de grandes puissances à haute fréquence.
➤ Les pertes ohmiques sont réduites en raison de l’absence de conducteur central, comme c’est le cas du câble coaxial par exemple.
➤ Ils sont exempts de pertes diélectriques et produisent par conséquent une très faible atténuation de la puissance transmise.

Les informations transmises, à la fois par l’onde porteuse et par le guide, sont de nature variée : signaux téléphoniques simples ou multiplex, signaux de télévision, impulsions numériques, données [10].

Les types de guide d’onde

Guide d’onde circulaire
Les guides d’ondes à section circulaire sont en principe ceux qui représentent le moins de pertes. Les guides d’ondes circulaires permettent également de faire véhiculer deux signaux à polarisation orthogonale dans le même guide  .Ce type de guide d’onde est peu utilisé en pratique. Toutefois la maitrise requise pour garder les champs électriques et magnétiques bien perpendiculaires est très délicate. C’est pourquoi on leur préfère les guides rectangulaires ou elliptiques [11].

Guide d’onde elliptique
Le guide d’onde à section elliptique avec une ondulation longitudinale permet de réaliser des guides faciles à poser sur des distances importantes, à l’intérieur des bâtiments de caoutchouc de protection  . Ce type de guide d’onde se laisse assez facilement couder et « tordre », ce qui permet d’arriver exactement de l’antenne [12].

Guide d’onde rectangulaire
Le guide rectangulaire est l’un des premiers types de lignes de transmission utilisés pour transporter des signaux hyperfréquences. On appelle guide d’onde rectangulaire un système de guidage réalisé sous forme de tube métallique de section droite rectangulaire   par lequel l’énergie transmise sous forme d’onde électromagnétique. Pour construire un modèle mathématique du guide d’onde, supposant d’abord que son enveloppe soit parfaitement conductrice, et que la constante diélectrique ɛ, la perméabilité μ, et la conductivité 𝜎 ne dépendent ni de la position considérée dans le guide, ni de l’amplitude des signaux.

Le principal avantage de ce type des guides est la minimisation de la perte lors de la
transmission, ils sont de plus complètement blindés ce qui entraîne une bonne immunité des très faibles signaux transmis aux interférences externes [13].

Technologie planaire

La technologie planaire s’est énormément développée, principalement pour deux raisons, la première est que la réalisation d’un circuit planaire est très peu coûteuse, la seconde est que cette technologie se combine aisément aux circuits intégrés, planaires eux aussi tels que les antennes imprimées ou la littérature a reporté de nombreux travaux [26-60] . Par conséquent, L’utilisation de technologies planaires est nécessaire pour concevoir des dispositifs toujours plus performants tout en répondant aux contraintes en termes de poids, de coût, de volume, ainsi que des possibilités d’intégration. Dans ce contexte, le développement de technologie planaires sélectifs et peu encombrants est à l’heure actuelle un domaine d’activité d’un intérêt fondamental. Elle consiste à utiliser un substrat qui se présente sous la forme d’une plaque de diélectrique. Des fines couches métalliques sont déposées sur l’une ou les deux faces du substrat .

La ligne micro-ruban

La ligne micro-ruban (ou micro bande) est la plus utilisée aujourd’hui parmi toutes les lignes de transmissions planaires compte tenu de sa simplicité, de sa facilité de fabrication et d’intégration dans les dispositifs microondes, utilisée dans les bandes de fréquences classiques (<20 GHz). Conçue dans les années 1950 par Grieg et Engelmann. La ligne micro ruban est constituée d’un substrat diélectrique d’épaisseur d métallisé sur sa face inférieure (plan de masse) et supportant, sur sa face supérieure, un ruban métallique de largeur w .

Plusieurs variantes de lignes micro-rubans existent, afin de minimiser les pertes dans le diélectrique, comme les lignes micro-rubans suspendues et les lignes micro-rubans inversées [64].

➤ Avantages :
-Le procédé technologique de réalisation des circuits est simple et bien maîtrisé. Cette technologie permet d’assurer une large gamme d’impédances caractéristiques réalisables en technologie circuit imprimé. Le report des éléments en série reste simple et les bibliothèques de modèles sont relativement fournies.
➤ Inconvénients :
-L’implantation en parallèle est plus complexe compte tenu de la présence du plan de masse sur la face inférieure. L’influence des trous métallisés (pour réaliser les vias) sur les performances électriques du circuit n’est pas négligeable et leurs effets parasites doivent être pris en compte. De plus la plage d’impédances caractéristiques réalisables est restreinte une fois que les caractéristiques du substrat sont fixées.

La technologie coplanaire

La technologie coplanaire a été développée pour la première fois par W en [65]. Elle est constituée d’un plan de masse déposé sur une seule face du substrat. Sur cette même face, le ruban est délimité grâce à deux fentes parallèles . Cependant, le fait d’avoir trois conducteurs en parallèle rend la propagation possible selon deux modes fondamentaux.   : un mode quasi-TEM (mode impair) peu dispersif et un mode quasi-TE dit de fente (mode pair) dispersif que l’on supprime en forçant au même potentiel les deux plans de masse.

C’est le mode pair qui est le plus utilisé dans les applications microondes. Cette structure est utilisée pour réaliser les circuits intégrés hyperfréquences et hybrides. La solution pour s’affranchir du mode TE consiste à mettre au même potentiel les deux plans métalliques extérieurs à la ligne, et ce régulièrement tout au long de la ligne.
➤ Avantage :
-La technologie coplanaire facilite le report des composants (actifs ou passifs) en série ou en parallèle, l’élimination des trous métallisés, la possibilité de réaliser une même impédance caractéristique avec des dimensions de ligne différentes. Et d’assurer un fort découplage entre les lignes du fait de la présence du plan de masse sur la même face du substrat ce qui permet d’augmenter la compacité des circuits. Cette technologie a pour rôle de réduire encore les coûts de fabrication puisque tout est réalisé sur une seule face.
➤ Inconvénients
-La difficulté à garder un mode TEM sur l’ensemble du circuit. L’utilisation de ces structures accroît la complexité du circuit, introduit de nombreux effets parasites et dégrade la reproductibilité. En pratique, cela reste difficile et coûteux à réaliser. Pour cette raison, le coplanaire reste peu utilisé [68].